Содержание к диссертации
Введение
1 ИСТОРИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СТАНОВЛЕНИЯ, РАЗВИТИЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ В ОБЛАСТИ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ НЕФТЕХИМИИ И НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ 6
1.1 Состояние нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности в годы первых пятилеток XX столетия 6
1.2 Исторические этапы становления нефтяного образования В Башкортостане в годы Великой отечественной войны 8
1.3 Исторические предпосылки создания Восточного нефтяного института в Уфе 9
1.4 История становление научно-исследовательской работы в УНИ 10
1.5 Развитиеи становление научно-исследовательской работы на кафедре нефтехимии и химической технологии УНИ 13
1.6 Основные направления научных исследований в области массообменных процессов ученых УНИ (УГНТУ) 17
2 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ В ОБЛАСТИ ПРОЦЕССОВ РЕКТИФИКАЦИИ В ПЕРИОД 1992-2006 18
2.1 История становления научно-исследовательской работы по теп л о-массообменным процессам в УНИ 18
2.2 Решение теоретических и практических проблем ректификации многокомпонентных смесей и абсорбции углеводородных газов 19
2.3 Модернизации контактных устройств тарельчатого типа учеными УНИ 26
2.4 Реконструкция и модернизация фракционирующего оборудования нефтеперерабатывающих заводов с использованием разработок и рекомендаций группы ректификации 27
2.5 Разработка новых технологий и контактных насад очных устройств ректификационных и адсорбционных колонн 37
2.6 Результаты обследования промышленных вакуумных колонн, оборудованных регулярными насадками различных типов 45
2.7 Реконструкция колонного оборудования в процессах ректификации за 1992-2006 годы с заменой тарелок на перекрестноточную регулярную насадку 56
3 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ПРОЦЕССОВ ЭКСТРАКЦИИ УЧЕНЫМИ УНИ В ПЕРИОД 1960 - 2006 ГГ. 69
3.1 Научные исследования в области совершенствования технологии жидкостной экстракции в производстве нефтяных масел с использованием новых контактных устройств 69
3.2 Научные исследования в области глубокой очистки технологических потоков нефтепереработки и нефтехимии адсорбционным и термокаталитическим методами 75
3.3 Научные исследования и разработка конструкций экстракционных аппаратов со струйным истечением фаз для крупнотоннажных производств учеными УНИ 91
Основные выводы 99
Список использованной литературы 104
- Состояние нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности в годы первых пятилеток XX столетия
- Решение теоретических и практических проблем ректификации многокомпонентных смесей и абсорбции углеводородных газов
- Научные исследования в области совершенствования технологии жидкостной экстракции в производстве нефтяных масел с использованием новых контактных устройств
Введение к работе
Сегодня топливно-энергетический комплекс занимает ведущее положение в области экономического и социального развития России. В связи с увеличением объемов переработки нефти в конце 1960-х годов перед нефтеперерабатывающей промышленностью страны была поставлена задача по углублению переработки нефти и интенсификации процессов нефтехимии и нефтепереработки. Это обстоятельство, в свою очередь, предопределило развитие научных исследований в различных областях нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Тема диссертационной работы актуальна, так как изучение и обоснование эффективности результатов, научно-исследовательских работ в области интенсификации процессов нефтехимии и нефтепереработки позволяют определить наиболее перспективные направления развития исследований.
Оценка потенциала и прогнозирования развития научно-исследовательских работ в области интенсификации процессов нефтехимии и нефтепереработки возможны только на основе тщательного анализа исторического опыта. В настоящее время существует большое количество работ в области интенсификации процессов нефтехимии и нефтепереработки. Однако история развития и становления научно - исследовательской работы в данной области системно не анализировалась. Поэтому воссоздание целостной картины истории возникновения, становления и развития научно — исследовательской работы в области интенсификации процессов нефтехимии и нефтепереработки на примере разработок Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГНТУ) — одного из ведущих вузов страны, являющегося составной частью единого образовательного пространства Российской Федерации является актуальной задачей.
Состояние нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности в годы первых пятилеток XX столетия
В феврале 1942 года Совет народных комиссаров Башкирской АССР и Башкирский областной Комитет ВКП(б) обратились в Совнарком Союза ССР с просьбой реорганизовать эвакуированный в 1941 году в г.Уфу МНИ в Восточный Нефтяной институт с местопребыванием в г.Уфе в составе геолого-разведочного, промыслово-механического, технологического и инженерно-экономического факультетов [197].
Несмотря на возражения Обкома ВКП(б) и Совнаркома республики, Наркомнефть отозвал значительную часть профессорско-преподавательского состава в г.Москву, в связи с чем институт не имел необходимого количества профессоров и преподавателей, что срывало учебный процесс [198]. Руководство Института сформулировало условия для создания работоспособного Восточного института. Предполагалось необходимым следующее:
1. Оставление в Уфе первого или двух первых курсов и всей вывезенной лабораторной и учебно-научной базы;
2. Основной базой для создания Восточного Института должен стать МНИ имени академика Губкина;
3. Восточный институт должен быть переведен из Соцгорода в Уфу;
4. Немедленно начать подготовку к новому набору местного населения, а не из числа эвакуированных, поскольку опыт таких наборов в Уфе выявил текучесть студенчества.
5. Помимо оставляемых кадров МНИ, в кадровый состав Восточного института должна войти группа местных работников. В первую очередь должен быть пересмотрен руководящий состав института и пополнен местными работниками;
6. Создать устойчивую хозяйственную базу нового института для удовлетворения материально-бытовых нужд студенческого и профессорско преподавательского состава [198].
К вопросу о сохранности МНИ при наличии самостоятельного Восточного нефтяного института, следовало еще подойти и с другой стороны. Чем больше в стране будет периферийных учебных и научно-исследовательских центров, тем большая нужда будет в мощном центральном научно-учебном центре. Нефтяная промышленность, строящаяся на сотрудничестве комплекса самых разнородных наук все более и более переплетающихся с новыми областями знаний, требовала, чтобы ее научно-учебный центр формировался и развивался в тесном общении с Академией наук. Сохранение МНИ, не исключало создание Восточного института и, наоборот, создание Восточного института, не означало поглощения им МНИ [197-198].
Уфимский филиал МНИ им. академика И.М.Губкина был образован приказом Наркомнефти и Всесоюзного Комитета по делам высшей школы от 11 мая 1943 года и 9 августа того же года вышел приказ о реорганизации эвакуированной в Уфу части МНИ в Уфимский филиал МНИ [190].
В послевоенные годы ускоренное расширение нефтедобычи и строительство нефтеперерабатывающих гигантов в Башкортостане определило потребность в новой армии высококвалифицированных специалистов и изменило статус Уфимского филиала МНИ: он закономерно вырос в самостоятельное учебное заведение - Уфимский нефтяной институт (УНИ).
Решение теоретических и практических проблем ректификации многокомпонентных смесей и абсорбции углеводородных газов
Будучи студентом Московского нефтяного института Б.К.Марушкин прослушал курс технологий нефти и газа, у профессора С.Н.Обрядчикова, который в своих лекциях и на семинарских занятиях обращал больше внимания на вопросы фракционирования нефти и промежуточных продуктов её переработки. К этому времени С.Н.Обрядчиков уже был автором нескольких книг по технологии нефти, расчёту и конструкции ректификационных колонн. В одной из них ещё в 1934 году он дал критический анализ работы сложных ректификационных колонн. Исследование таких колонн в дальнейшем было продолжено группой ученых Уфимского нефтяного института (УНИ) [27].
Будучи аспирантом Б.К. Марушкин проявил интерес к теории и практике фракционирования смесей. В первой научной работе в области ректификации, выполненной в УНИ, им была описана процедура перехода от тарелки к тарелке при расчёте колонн с учётом изменения, потоков по высоте отдельных секций односекционной (неполной) колонны, в которой итоги расчёта по теоретическим тарелкам сравниваются с приближенным методом использующим условную бинарную смесь (УБС). Для этого был произведен расчёт секций колонны с различным числом теоретических (равновесных) тарелок, и итоги расчётов сравниваются с составами потоков крайних тарелок секции промышленной колонны. Такой метод в дальнейшем был использован при расчёте кпд ректификационных тарелок [27-28] и оценки эффективности экстракционных колонн [26].
При ректификации многокомпонентных смесей устанавливается максимальная концентрация промежуточных по летучести компонентов на промежуточных тарелках колонны. Принято было считать [27] что, максимальная концентрация компонента в жидкости должна соответствовать тарелке, на которой константа фазового равновесия компонента равна единице. Расчеты показали, что такое утверждение «не соответствует истине». Справедливость такого вывода подтверждается тем, что возможно наличие максимальной концентрации одного и того же компонента одновременно на тарелках укрепляющих и отгонной секции полной ректификационной колонны [28].
В 1950-51 учебном году была выполнена серия расчётов составов дистиллята и остатка колонн. С неё начались на кафедре и продолжались более двадцати лет исследования по разработке метода расчёта режима минимального орошения и использованию этого крайнего режима ректификации смесей при исследовании массообменных процессов [28-29].
Наиболее содержательным и интересным оказался анализ работы сложных ректификационных колонн при режиме предельно чёткого разделения трёхкомпонентных смесей [29]. Теоретический анализ показал, что при ректификации трёхкомпонентных смесей в системе со связанными материальными и тепловыми потоками при режиме идеально чёткого разделения компонентов экономия орошения относительно орошения в системе простых колонн без связанных потоков растёт с ростом доли в сырье среднелетучего компонента и достигает 50 процентов [29].
При анализе работы сложной колоны учеными УНИ очень удачно использовался также другой крайний режим ректификации — режим полного орошения [30]. В этом исследовании на основе расчётных примеров была показана возможность получения любой чистоты продуктов боковыми погонами колонны, если обеспечить достаточное число тарелок между отвалами двух соседних продуктов и отбор их, близкий к потенциалу. А также что при режиме ограниченной кратности орошения, роль отгонных секций сложной колонны должна сокращаться по мере роста кратности жидкого орошения [30].
Толчком к исследованиям, выполненным на кафедре, по вопросу выбора схемы разделения смесей в системе простых колонн [31], послужил анализ недостатков промышленной схемы разделения бензина на узкие фракции. Дело в том, что при выборе схемы соединения колонн не всегда обращается внимание на необходимую чистоту получения промежуточных продуктов, число которых на два меньше числа конечных продуктов разделения. В системе разделения требования к чёткости разделения промежуточных продуктов зависят не только от состава исходной смеси и заданной чистоты конечных продуктов разделения, но также от выбранной схемы соединения колонн [31]. Поэтому при выборе схемы соединения колонн учеными УНИ было рекомендовано отдать предпочтение той схеме, которая не требует получения промежуточных продуктов чрезмерно высокой чистоты. Чтобы избежать высоких требований к чистоте промежуточных продуктов при выборе схемы ректификации, учеными УНИ рекомендовано пользоваться следующими правилами [31]:
- компонент с малым содержанием в сырье следует предварительно концентрировать в трёхкомпонентной смеси, где он является промежуточным (или в виде двухкомпонентнои, если оказывается крайнем в ряду сырьевых компонентов);
- в первой колонне выгодно вести разделения по грани, где соседние компоненты имеют большие доли в сырье и, особенно, если допускается относительно большое взаимное загрязнение этих компонентов.
Марушкин Б.К. был одним из первых исследователей в СССР, разработавшим алгоритм и программу расчёта фракционирования нефти и продуктов её переработки в простых и сложных колонах. Первые программы расчёта простой колонны основывались на методе «от тарелки к тарелке» с коррекцией составов дистиллята и остатка в ходе итерационного процесса.
Научные исследования в области совершенствования технологии жидкостной экстракции в производстве нефтяных масел с использованием новых контактных устройств
На основе этих контактных и распределительных устройств Г.К.Зиганшиным были разработаны и реализованы,новые технологии жидкостной экстракции, которые позволили увеличить выход ценных масляных компонентов, получить рафинаты с высоким индексом вязкости, обеспечить эффективную работу экстракторов при низких загрузках по сырью и реализовать схемы с получением нескольких рафинатов и экстрактов, которые могут быть использованы не только в масляном производстве, но и в других технологических процессах.
При разработке методологических основ экспериментальных исследований процесса однократной и многоступенчатой жидкостной экстракции Г.К.Зиганшиным были введены новые понятия температурной стационарности, эталонных кривых как информационного поля процесса жидкостной экстракции и «меченых» индивидуальных компонентов при расчётном исследовании процесса на ЭВМ и разработана программа комплексного исследования многоступенчатой экстракции в лабораторных условиях и расчетах на ЭВМ, позволяющая как детально анализировать существующие экстракционные процессы, так и синтезировать новые технологические схемы [49].
Г.К.Зиганшиным был разработан общий принцип разгрузки внутренних потоков основного экстракционного аппарата за счёт перераспределения массы и энергии внешних потоков экстрактора или вывода дополнительного промежуточного рафинатного раствора [41].
Выполнен системный анализ методов создания рисайкла в экстракционных аппаратах и сформулирована теоретическая база разработки и исследования новых перспективных, в основном, комбинированных способов создания рисайкла, повышающих эффективность работы аппарата и исследованы процессы экстракционной очистки масляных фракций двумя растворителями, одним из которых является, как обычно, полярный растворитель, а в качестве второго слабополярного растворителя используется рафинат или рафинатный раствор:
Так же были предложены и исследованы при моделировании на ЭВМ инварианты комбинированных технологий жидкостной экстракции и дистилляции с получением промежуточных фракций рафинатов и экстрактов многоцелевого назначения. Гибкость разработанных технологий позволяет использовать их не только для селективной очистки масел, но и для подготовки сырья различных вторичных процессов, направленных на углубление переработки нефти [54].
Г.К.Зиганшиным за период 1980-1990 гг. было разработано 12 новых комбинированных методов создания рисайкла с подачей антирастворителя на нижнюю ступень экстрактора и с вводом на вышерасположенные ступени охлаждённых первичных рафинатов и экстрактов, рафинатных и экстрактных растворов, а также вторичных экстрактов и рафинатов, полученных путём дистилляции первичных рафинатов и экстрактов, позволяющих существенно увеличить выход рафината (до 10 %) и чёткость разделения при селективной очистке масел фенолом.
Был выполнен дискриминационный анализ разработанных технологий но совокупности показателей оценки селективности, позволяющий при варьировании исходных показателей, критериев оценки работы экстрактора и целенаправленности процесса выбрать оптимальный вариант технологии для конкретной ситуации [59].
Изучено влияние на селективность и другие показатели процесса экстракции рециркуляции различных индивидуальных сырьевых компонентов при моделировании на ЭВМ многоступенчатой фенольной очистки масляной фракции с постоянной кратностью растворителя, фиксированными отбором или качеством рафината, показавшее, что существенное влияние на улучшение основных показателей процесса оказывает ввод в качестве рециркулятов парафинонафтеновых углеводородов.
На основе теорий массопередачи и вихревого движения двухфазных потоков были сформулированы предпосылки создания эффективного экстракционного оборудования гравитационного типа и впервые предложено для проведения экстракционного процесса реализовать его в плёночном режиме со свободной развитой двусторонней турбулентной поверхностью дисперсной фазы в противоточном или локально-перекрёстном токе сплошной фазы.
Г.К.Зиганшиным впервые была изучена интенсивность массообмена в системе деасфальтизат - фенол при непрерывной экстракции для локальных зон экстрактора, соответствующих условиям распыления дисперсной фазы и контактных устройств плёночного типа, и подтверждены теоретические предпосылки высокой эффективности массообмена в этих зонах. Показано, что высота, эквивалентная теоретической ступени, рассчитанная по показателям свойств экстракта и рафината для локальных зон, ниже до 8 раз по сравнению с промышленными экстракторами [58].
